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Rückführung der Praktischen Salinität auf das SI

Die Salinität bezeichnet den Salzgehalt in Meerwasser und ist eine wichtige Messgröße in der Ozeanographie, die in Datenbanken zur globalen Erfassung und Beobachtung ozeanographischer und klimatischer Kenngrößen gespeichert wird. Insbesondere wird die Salinität benötigt, um Dichteveränderungen in den Weltmeeren zu berechnen, die die treibende Kraft für die großen Meeresströmungen sind und die ihrerseits einen großen Einfluss auf das Klima haben. Die Messergebnisse müssen daher über lange Zeiträume mit einer möglichst geringen Messunsicherheit vergleichbar sein.

Die chemische Analyse von Meerwasser ist allerdings zeitaufwendig und es benötigt erfahrenes Personal zu dessen Durchführung. Um Salinitätsprofile der Meere weltweit und über lange Zeiträume zu erstellen, ist sie daher praktisch nicht sinnvoll einsetzbar. Da die Leitfähigkeit des Meerwassers von der Konzentration der gelösten Salze abhängt, kann sie als Maß für die Menge der gelösten Salze dienen. Die entsprechenden Messgeräte sind relativ einfach zu bedienen und können vor allem automatisiert beispielsweise in Bojen oder Tiefensonden eingebaut werden. Die Umrechnung eines gemessenen Leitwertes auf den Salzgehalt erfolgt entsprechend der Praktischen Salinitätsskala von 1978 (PSS-78) (UNESCO Technical Papers in Marine Science 37). Der derart ermittelte Salzgehalt wird Praktische Salinität genannt.



Diese Karte zeigt den Salzgehalt der Meere in der praktischen Salinitätsskala an. Das Bild zeigt auch die thermohaline Zirkulation mit dem warmen Oberflächenwasser in rot.

Image courtesy of Richard Simmon/NASA

 

Messgeräte zur Bestimmung der Praktischen Salinität werden mit sogenanntem Standard Meerwasser (SSW) kalibriert. Dies ist natürliches Meerwasser aus dem Nordatlantik, das verdünnt wird, bis ein Messgerät für Leitwertmessungen den gleichen Leitwert wie für eine in der PSS-78 genau definierten KCl-Lösung anzeigt. Das Verhältnis der beiden Leitwerte wird vom Hersteller auf den SSW-Flaschen notiert. Messgeräte für die Praktische Salinität werden dann bei einer Messung von SSW so eingestellt, dass sie das Leitwertverhältnis anzeigen, das auf der SSW-Flasche steht. Misst man anschließend mit dem Gerät den Leitwert einer Meerwasserprobe mit unbekannter Salinität, bekommt man folglich als Ergebnis das Leitwertverhältnis dieser Probe mit Bezug auf SSW bzw. auf die definierte KCl-Lösung. Aus dem derart bestimmten Leitwertverhältnis wird schließlich die Praktische Salinität der Probe gemäß PSS-78 berechnet. SSW dient auf diese Weise als Primärnormal für die Größe „Leitwertverhältnis“, bzw. die daraus berechnete Praktische Salinität.

Anders als bei Leitfähigkeitsmessungen üblich, wird hier der gemessene Leitwert nicht an die Leitfähigkeit einer Referenzlösung angepasst, deren Leitfähigkeit in einem metrologischen Institut mit einem Primärverfahren auf das SI zurückgeführt wurde. Der Grund liegt darin, dass die relativen Messunsicherheiten der Referenzlösungen (etwa 0,02 %) um ca. eine Größenordnung größer sind, als wenn man mit Leitwertverhältnissen arbeitet, weil sich durch die Verhältnisbildung systematische Messfehler größtenteils aufheben. Andererseits geht durch die Verhältnisbildung der Bezug zu den Normalen des SI verloren und es kann nicht überprüft werden, ob die verschiedenen SSW-Lose über einen großen Zeitraum hinweg wirklich identisch sind. Um die Vergleichbarkeit von Messergebnissen der Praktischen Salinität langfristig zu gewährleisten, muss das Leitwertverhältnis von SSW aber immer wieder innerhalb der benötigten engen Unsicherheitsgrenzen repliziert werden. Um dies zu prüfen werden Vergleichsmessungen mit SSW Proben verschiedener Lose durchgeführt. Allerdings ist SSW nur begrenzt haltbar, sodass sich diese Art der Prüfung nur für einen Zeitraum von ca. 5 Jahren zuverlässig durchführen lässt. Darüber hinaus können sich kleine Variationen in der Produktion von SSW über die Jahrzehnte hinweg ungünstig aufsummieren.

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Opens external link in new windowEMRP ENV05 „Ocean“ hat die PTB Dichte und Leitwertverhältnisse von SSW unter Druck- und Temperaturbedingungen gemessen, die für die Ozeanographie typisch sind. Dabei wurde eine empirische Beziehung zwischen dem Leitwertverhältnis von SSW und seiner Dichte aufgestellt, die mit Bezug auf das SI mit ausreichend kleiner Messunsicherheit (ca. 2-3 ppm) gemessen werden kann. Über eine hochpräzise Dichtemessung kann in Zukunft das gemäß PSS 78 ermittelte Leitwertverhältnis eines neuen SSW-Loses mit dem aus der Dichte berechneten Leitwertverhältnis an der PTB kalibriert und die Anbindung an die langfristig stabilen Normale des SI hergestellt werden.

Galt das erste Projekt vor allem der Charakterisierung von SSW, so sollen nun in einem neuen metrologischen Forschungsprojekt Leitwertsensoren charakterisiert werden, die im tiefen Meer eingesetzt werden. Dazu wird der Messplatz ausgebaut, um kommerzielle Leitwertsensoren integrieren zu können. Anschließend werden die Messergebnisse der Sensoren, die mit der derzeit üblichen, nicht SI-rückgeführten Kalibrierpraxis erzielt werden, mit denen der SI-rückgeführten Leitwertverhältnis-Dichte-Beziehung verglichen und bewertet. Wenn sich der Messplatz etabliert, soll er mittelfristig zur Kalibrierung solcher Sensoren verwendet werden.